专利名称：基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法
技术领域：
本发明涉及一种仿真分析方法，尤其涉及一种非线性有限元和非线性多体动力学相结合的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法。
背景技术：
轨道车辆由多节车厢组成，其碰撞不同于汽车、飞机、船舶等交通工具的单体撞击，它既有单车的撞击破坏情况，又有各车间的互撞问题。列车多体偶合撞击既有多质点系统动力学，又有塑性大变形的结构动力学，列车多体撞击动力学的研究涵盖了多质点系统动力学、弹塑性结构动力学、冲击动力学等固体力学的理论及研究方法。目前国内对轨道车辆被动安全技术的研究主要有两类一是运用多体动力学软件来分析列车在碰撞过程中的运动学、动力学特性，由于这些软件不能很好的模拟材料的非线性和弹塑性变形，工程运用中有其局限性；另外一种就是运用有限元分析软件如LS-DYNA、MSC-DYTRAN等进行结构的大变形、非线性瞬态分析，由于这些软件在计算中，单元的变形和扭曲，会引起时间步长的急剧减小，导致计算效率下降，当时间步长小于最小时间步时系统报错致使计算停止，工程运用中模型不能大，研究集中在对头车进行各工况的非线性有限元碰撞仿真分析。国内目前对轨道车辆被动安全技术的研究离工程应用尚有一段距离，在对整车进行碰撞分析的过程中，研究集中在对头车进行了各工况的非线性有限元碰撞仿真分析，随着计算机性能和并行仿真技术的发展，为了达到更为精确的仿真结果可以考虑对整列车进行建模，同时有必要采用先进的多体动力学软件，对列车碰撞过程中的纵向动力学特性进行更为详细的分析，从而为结构设计确定出更为合理的满足安全要求的列车撞击载荷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术在对轨道车辆整车碰撞仿真分析中的局限性，提供一种基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法，该方法将非线性有限元和非线性多体动力学两者结合起来进行整车碰撞仿真研究，建立的模型能很好的模拟材料的非线性和弹塑性变形，该方法对试验依赖性小、精度可靠、能实时仿真其运动过程，能节省大量的人力、财力和时间。本发明的基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法包括以下步骤
步骤1、确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，按照以下准则建立各车厢之间能量吸收装置刚度的样条曲线，所述能量吸收装置由多个吸能元件组成
撞击吸能元件的刚性质量块与该吸能元件的质量比对撞击力无影响，撞击力不随质量比的改变而改变，撞击速度对撞击力无影响，吸能元件撞击力-冲程是吸能元件自身的固有特性；
吸能元件并联时，只要它们的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力保持各吸能元件原有大小；
步骤2、按照以下方法建立整车碰撞振动系统的力学模型
用坐标約,…来描述组成整车的车厢唧，…从静平衡位置算起的位移，Ur 是作用在车厢約，…，^上的摩擦力，F为系统中总的车厢数，朽㈨、巧㈨是头车和中间车的能量吸收装置等效总刚度，按Newton第二定律写出F节车厢的运动微分方程如下
^Ψι = F2 (u2 -U1)- F1 (U1) + Z1 ^ =巧(U3 — ) — P2 (U2 一 "l) + J2
mM-^iM-I = Fψ·过.—UJ ~ F2— ) + JM-I
mSifiM = -,2( ~uM-\) +SM 系统的初始条件为^i(O) =^---,^(0) = "mi , Ii1(O) =Ji10,---,Iiif(O) = ^rtl ,
^1(O),-',MO) , ^1(O),--分别为系统中各车厢的初始位移和初始速度；
步骤3、对步骤2得到的力学模型进行数值仿真求解。优选地，步骤3中使用非线性多体动力学软件对步骤2得到的力学模型进行基于样条曲线的数值仿真求解。优选地，步骤1中所述撞击力为平均撞击力。从而可以降低计算复杂度，简化仿真算法。本发明根据吸能元件吸能特性及其串/并联情况确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，然后建立整车碰撞多自由度振动系统的力学模型，建立了一个非线性多体动力学的基于样条曲线的整车碰撞动态性能分析模型。本发明将非线性有限元和非线性多体动力学两者结合起来进行整车碰撞仿真研究，建立的模型既很好的模拟材料的非线性和弹塑性变形，同时将头车的碰撞仿真分析扩展到整车，对整车碰撞中各车厢的运动和纵向载荷进行仿真预测。
图1为具体实施方式
中所述车厢之间能量吸收装置的结构示意图； 图2为头车的车钩缓冲装置撞击力-冲程图3为两头车之间两个车钩缓冲装置串联后的等效撞击力-冲程图； 图4为两头车之间能量吸收装置最终的撞击力-冲程图； 图5为具体实施方式
中所述多自由度碰撞振动系统图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明主要思想是根据轨道车辆能量吸收装置中吸能元件及其串/并联吸能特性建立各节车厢之间能量吸收装置刚度的撞击力-冲程样条函数，并基于样条函数进行各节车厢之间能量吸收装置非线性撞击力的力学机理模拟，然后建立整车碰撞多自由度振动系统的力学模型，建立了一个适用于非线性多体动力学的基于样条曲线的整车碰撞动态性能分析模型，将头车的碰撞仿真分析扩展到整车。具体而言，本发明方法包括以下步骤
步骤1、确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，按照以下准则建立各车厢之间能量吸收装置刚度的样条曲线，所述能量吸收装置由多个吸能元件组成
撞击吸能元件的刚性质量块与该吸能元件的质量比对撞击力无影响，撞击力不随质量比的改变而改变，撞击速度对撞击力无影响，吸能元件撞击力-冲程是吸能元件自身的固有特性；
吸能元件并联时，只要它们的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；
吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力保持各吸能元件原有大小；
轨道车辆各车厢之间的能量吸收装置是由各种吸能元件共同组成的，根据吸能元件及其串/并联吸能特性确定头车及中间车之间能量吸收装置的等效总刚度，是多体动力学和非线性有限元两者结合起来进行整车碰撞仿真研究的关键点所在。经研究发现，吸能元件及其串/并联吸能特性符合下列原则撞击吸能元件的刚性质量块和吸能元件的质量比对撞击力没有影响，撞击力基本上不随质量比的改变而改变。这一性质类似非线性弹簧，刚度的大小由吸能元件本身的几何特性和材料特性决定，而与所承受的载荷无关。同时撞击力随速度的增加而小幅增大，但总的来说，速度的影响不大。吸能元件并联时，只要它们的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变。吸能元件串联时， 串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力保持各吸能元件原有大小。即非线性弹簧具有线性弹簧相同的串、并联特性。根据上述准则即可确定各类轨道车辆的能量吸收装置刚度的样条曲线，下面以图 1所示的轨道车辆能量吸收装置为例，来说明如何根据上述准则确定其刚度的样条曲线。如图1所示，该能量吸收装置包括安装于车厢中部的车钩缓冲装置，以及安装于车厢两侧(也可安装在一侧)的吸能防爬器；所述车钩缓冲装置包括依次串联的缓冲器、压溃管、车钩剪切螺栓；所述吸能防爬器包括相互连接的防爬器、吸能部件。以头车为例，说明两列整车互撞时其两头车之间的能量吸收装置的刚度计算过程 列车在运行或者连挂过程中，在非正常状况下，车钩缓冲装置受到的纵向载荷超过压溃管触发力时，压溃管按照设计的变形模式，以稳定的阻抗力发生塑性变形，最大限度吸收冲击能量，当相联挂车钩压溃管不再吸收能量，冲击力传递到车钩座上，车钩座上的剪切螺栓在此力作用下被剪断， 车钩脱落到安全吊板上，车体端部吸能防爬器接触，两对防爬器上齿形槽交叠而相互啮合在一起，从而使防爬器后面的吸能部件仅受到纵向冲击而发生有序叠缩塑性变形继续吸收冲击能量。单个车钩缓冲装置可以看成变刚度弹簧，如图2所示，忽略车钩联接头的质量， 两个头车之间的车钩缓冲装置相当两个变刚度弹簧的串联，两弹簧串联的等效刚度k为
权利要求
1.一种基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、确定整车各吸能元件的撞击力-冲程图，确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，按照以下准则建立各车厢之间能量吸收装置刚度的样条曲线，所述能量吸收装置由多个吸能元件组成撞击吸能元件的刚性质量块与该吸能元件的质量比对撞击力无影响，撞击力不随质量比的改变而改变，撞击速度对撞击力无影响，吸能元件撞击力-冲程是吸能元件自身的固有特性；吸能元件并联时，只要它们的变形不耦合，并联后的刚度大小为各吸能元件原有撞击力相加，冲程不变；吸能元件串联时，串联后的刚度大小为各吸能元件原有冲程相加，撞击力保持各吸能元件原有大小；步骤2、按照以下方法建立整车碰撞振动系统的力学模型用坐标巧，…，来描述组成整车的车厢啊，…从静平衡位置算起的位移，/^…,/龙是作用在车厢^^…，揪评上的摩擦力，、为系统中总的车厢数，_、聯是头车和中间车的能量吸收装置等效总刚度， 按Newton第二定律写出、节车厢的运动微分方程如下
2.如权利要求1所述基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法，其特征在于， 步骤3中使用非线性多体动力学软件对步骤2得到的力学模型进行基于样条曲线的数值仿真求解。
3.如权利要求1所述基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法，其特征在于， 步骤1中所述撞击力为平均撞击力。
4.如权利要求1所述基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法，其特征在于， 所述轨道车辆各车厢前后两端均安装有能量吸收装置；所述能量吸收装置包括安装于车厢中部的车钩缓冲装置，以及安装于车厢两侧或一侧的吸能防爬器；所述车钩缓冲装置包括依次串联的缓冲器、压溃管、车钩剪切螺栓；所述吸能防爬器包括相互连接的防爬器、 吸能部件。
全文摘要
本发明公开了一种基于样条曲线的轨道车辆整车碰撞仿真分析方法。本发明根据吸能元件吸能特性及其串/并联情况确定各车厢之间能量吸收装置的等效总刚度，然后建立整车碰撞多自由度振动系统的力学模型，建立了一个适用于非线性多体动力学的基于样条曲线的整车碰撞动态性能分析模型。本发明将非线性有限元和非线性多体动力学两者结合起来进行整车碰撞仿真研究，建立的模型既很好的模拟材料的非线性和弹塑性变形，同时将头车的碰撞仿真分析扩展到整车，对整车碰撞中各车厢的运动和纵向载荷进行仿真预测。
文档编号G06F17/50GK102306214SQ20111020960
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者张锐, 晋萍, 聂宏 申请人:南京航空航天大学